我国作为全球第四大铁矿资源国,高达80%的贫矿占比致使铁矿平均品位仅为34.50%,低于世界平均水平,导致钢铁工业对高品位铁矿石的进口量常年高于80%。与此同时,国内铁尾矿堆存总量已经逾100亿吨,普遍呈现矿物组成复杂、硅铝矿物解离难度大、伴生S、Pb、Zn、Cu等特点。传统磁选、浮选和重选的单一或联合工艺对其铁回收效率低。此外,铁尾矿中铅锌铜在堆存过程存在环境污染风险。因此,明晰铁尾矿工艺矿物学特征,在此基础上开发清洁高效的铁回收及铁精矿提质技术,阐明铁回收过程中铅锌铜组分的富集与转化规律,有望缓解我国对进口铁矿石的高依赖性。 本文以广东省韶关大宝山的铁尾矿为研究对象,通过矿物解离分析(MLA)、X射线衍射(XRD)、穆斯堡尔谱(MS)、扫描电子显微镜(SEM)和化学物相分析等多手段揭示了铁尾矿中Fe、Si、Al、Pb、Zn和Cu的赋存形式,系统开展了生物质快速热解-悬浮磁化焙烧的铁回收工艺,在此基础上构建“预富集-焙烧强化”的铁精矿提质工艺,阐明铅锌铜在铁回收过程中的富集与转化机制。主要研究结果如下: (1)以大宝山铁尾矿为研究对象,通过XRD、MS、SEM、热重(TG)和火焰原子吸收(AAS)从矿物和粒度组成、元素分布、矿物嵌布特征和热稳定性多角度阐明铁尾矿的矿物学特性。结果表明:大宝山铁尾矿的全铁(TFe)含量为43.38%,包括40.47%的赤铁矿、19.94%的针铁矿和25.66%的纤铁矿。65.55%的铁尾矿颗粒集中分布在150-830μm范围内。Fe、Zn和Cu含量随着铁尾矿粒级的增大呈增大趋势,Si和Pb含量随着粒级的增大呈减小趋势。石英、云母和高岭石作为主要的脉石矿物,部分与褐铁矿以浸染或嵌布的形式共生,部分以细小颗粒形式包裹于褐铁矿中。 (2)为实现铁尾矿中铁资源的高效清洁回收,以木屑为还原剂,开发了“快速热解-悬浮磁化焙烧-研磨-磁分选”的联合铁回收工艺。通过XRD、SEM、振动样品磁强计(VSM)、比表面积及孔隙分析(BET)阐明铁的物相、微观形貌、比表面积和磁性特征的衍化机制,结合气相色谱(GC)探明气固反应的协同作用机制。结果表明:最佳条件下可获得铁回收率为93.32%、铁品位61.50%的铁精矿。铁在还原过程中的物相转机制为:Fe OOH→Fe₂O₃→Fe₃O₄→Fe O;Fe₂O₃到Fe₃O₄的生长机制是从颗粒表面到内部的过程;悬浮磁化焙烧后比表面积从7.98 m2/g增大至10.54 m2/g,饱和磁化强度从0.54 emu/g增大至57.70 emu/g。悬浮焙烧温度的升高不仅增大了磁化反应速率,而且加速了热解气中CH₄向H₂和CO的二次转化,协同强化了Fe₂O₃的磁化过程。 (3)为实现铁精矿品质从C₆₀到C₆₃级的突破,以铁尾矿和焙烧产物的工艺矿物学分析为基础,提出“预富集-焙烧强化”的铁精矿协同提质工艺。探明入炉前研磨、贫矿筛除和洗矿工艺对铁的预富集及提质效果。结果表明:最佳焙烧及解离条件下的焙烧产物中,83.10%的磁铁矿以解离度>60%的优势单体形式得以有效回收;50.45%的石英以解离度<20%的连生体形式存在,以细小颗粒的形式与磁铁矿或黏土矿物呈高度连生;Al的赋存呈现“晶格掺杂+矿物包裹”双重特征。贫矿筛除为最优预富集-提质工艺;铁尾矿筛除-200目贫矿后铁品位从43.38%提升至47.19%,该过程质量损失10.06%;经过悬浮磁化焙烧及磁分选,铁实际回收率为97.83%,铁精矿品位和铁回收率分别达到63.25%和97.92%,铁精矿品质由C₆₀级提至C₆₃级。 (4)为评估铁精矿中铅锌铜对高炉炼铁的适用性,基于“快速热解-悬浮磁化焙烧-研磨-磁分选”的铁回收体系,探明铁尾矿中铅锌铜的存在形式和磁分选后铅锌铜的迁移富集规律,通过MLA、化学物相法和热力学计算阐明铜铅锌的赋存形态与转化机制。结果表明:Cu和Zn易于富集在铁精矿中,Pb无明显富集趋势。铁尾矿中96.13%的Cu分布于褐铁矿中,主要存在形式为原生硫化铜;铁尾矿中94.51%的Zn分布于褐铁矿中,主要存在形式为铁酸锌;铁尾矿中的Pb主要以水磷铁铅石、砷铅铁矿、铅矾、褐铁矿、水磷铝铅矿的矿物形势存在。Cu在悬浮磁化焙烧过程中的转化机制为原生硫化铜→次生硫化铜→自由氧化铜→铁锰结合态氧化铜;Zn在悬浮磁化焙烧过程中的转化机制为Zn Fe₂O₄→Zn O→Zn SO₄/Zn/Zn O·Si O₂。Pb在磁化焙烧前后的物相组成未呈现明显变化,且铁精矿和磁选尾渣中的Pb物相分布具有一致性。 综上,本文提出的“快速热解-悬浮磁化焙烧-研磨-磁分选”联合工艺可以实现难选铁尾矿中铁资源的高效清洁回收,结合贫矿筛除的预富集工艺可以将铁精矿品质从C₆₀提至C₆₃级,然而铁精矿中的Pb、Zn含量难以满足高炉炼铁的品质需求,且Zn更容易以锌铁尖晶石的形式富集于铁精矿中。本论文为同类型铁尾矿的铁资源回收及铁精矿提质提供了理论基础,也为铁精矿在高炉炼铁中的应用提供了技术支持。